Природа электрического поля: Какова природа электрического поля? это квантуется? это волна? — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

§ 1.4 Природа электрического отталкивания и закон Кулона

Электрические заряды постоянно испускают во всех направлениях частицы, разлетающиеся с постоянной скоростью вдоль прямых линий. Воздействие на заряд зависит лишь от расположения и скорости этих частиц возле него… Можно сказать, что это будет своего рода механическая теория электричества.

Вальтер Ритц, «Критический анализ общей электродинамики» [8]

Прежде чем перейти к электродинамике Ритца — теории взаимодействия подвижных зарядов и токов, рассмотрим сначала взаимодействие неподвижных, иными словами электростатику. Как гласит известный всем со школы закон Кулона, два одноимённых заряженных точечных тела отталкиваются с силой F, пропорциональной величине их зарядов q₁, q₂ и обратно пропорциональной квадрату расстояния R между ними

F~q₁q₂/R².

Как же БТР объясняет закон Кулона?

Согласно Ритцу, сила отталкивания складывается из элементарных сил взаимодействия между элементарными зарядами двух тел. Действительно, известно, что заряд любого тела состоит из стандартных зарядов электронов и протонов ядер, образующих данное тело, поэтому заряд меняется дискретно, скачками. Вот и рассмотрим для начала взаимодействие двух элементарных зарядов (электронов). По гипотезе Ритца электрон испускает во всех направлениях однородные частицы, разлетающиеся со скоростью света c и имеющие стандартную массу m, а значит переносящие стандартный импульс p=mc. Попадая в другой электрон, эти частицы передают ему свой импульс, чем и вызывают кулоновское отталкивание зарядов. Подобно тому, как пули, выстреливаемые из автомата Калашникова со скоростью

v, ударяют в консервную банку и заставляют её отлетать в направлении удара, передавая свой импульс Mv, так и частицы, попав в электрон, вызывают отталкивание, сообщая электрону свой импульс p=mc. Огромная скорость частиц, даже при ничтожной их массе m, делает этот импульс p=mc ощутимым. Эта перестрелка зарядов, обмен «выстрелами» и создаёт отталкивание зарядов с силой F, действующей вдоль «линии огня».

Если в электрон попадает n частиц в секунду, ему каждую секунду сообщается импульс nmc, — это и есть кулоновская сила F отталкивания электронов. Ведь сила, по определению, — это импульс, сообщаемый телу в единицу времени. Таким образом, согласно Ритцу, кулонова сила отталкивания имеет чисто механическую, кинетическую природу. Не зря Ритц утверждал, что БТР — это, фактически, механическая теория электричества, по которой скорость

c выбрасывания частиц электроном чисто механически задаёт световую скорость распространения электрического взаимодействия, а значит и скорость света, электромагнитных волн.

Ритц показал, что каждый элементарный заряд (электрон) ежесекундно испускает одно и то же число частиц N. Словно пулемёт, строчащий пулями, электрон выбрасывает во всех направлениях со скоростью света

c и частотой N микрочастицы. Однако лишь малая их доля n долетают до другого электрона, расположенного на расстоянии R. Эту долю легко найти, считая электрон шариком известного радиуса r. Раз электрон ежесекундно испускает N частиц, то такое же число частиц должно пересекать в секунду поверхность 4?R² окружающей электрон сферы. Поскольку частицы разлетаются по всем направлениям равномерно, то в другой электрон, расположенный на расстоянии R и имеющий поперечное сечение ?r², попадает доля частиц, составляющая ?r²/4?R² от полного их потока N. Другими словами

n=N?r²/4?R²=Nr²/4R².

Таким образом, кулоновская сила отталкивания двух электронов, расположенных на расстоянии R, найдётся в модели Ритца как

F=nmc=Nr²mc/4R² (Рис. 6).

Рис. 6. Испущенные электронами частицы производят своими ударами электрическое отталкивание с кулоновой силой F~1/R².

Тем самым мы получили механическое выражение закона Кулона: сила отталкивания, действующая между двумя элементарными зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними. Если заряды не элементарны, а содержат первый —

q₁ электронов, второй — q₂ электронов, то результирующая сила взаимодействия будет складываться из элементарных сил взаимодействия отдельных зарядов во всех возможных комбинациях. Каждый из q₁ электронов будет взаимодействовать с каждым из q₂ электронов. То есть, всего будет q₁q₂ одинаковых элементарных сил отталкивания

Nr²mc/4R²,

дающих в сумме силу

F= q₁q₂Nr²mc/4R²= Aq₁q₂/R²,

где A=Nr²mc/4 — некая константа, а q₁ и q₂

— заряды тел, измеренные в единицах заряда электрона. То есть получили полную формулировку закона Кулона:

F=q₁q₂e²/4??₀R²,

где e — заряд электрона, ?₀ — электрическая постоянная. Отсюда находим

A=Nr²mc/4=e²/4??₀,

или

?Nr²m=e²/c?₀.

Это даёт связь фундаментальных констант e, c, ?₀. Также находим число испускаемых электроном в единицу времени частиц

N=e²/?r²mc?₀.

Кроме того, если считать, что радиус электрона равен классическому

r=e²/4??₀Mc²,

где M — масса электрона, то получим интересное соотношение

r/c=(4M/m)/N,

смысл которого раскроем в следующем разделе.

Итак, Ритц не только вскрыл механизм электричества, электрического взаимодействия, но и дал ему наглядную механическую интерпретацию: отталкивание одного заряда другим возникает так же как отталкивание мишени градом пуль из пулемёта. БТР объясняет транспортировку воздействия от заряда к заряду и само это воздействие. Каждая пуля, вылетающая из пулемёта, несёт стандартный импульс mc, который при попадании передаётся мишени. Сила отталкивания складывается из отдельных ударов частиц-пуль, барабанящих по зарядам, словно реальные пули по мишени или град, снежная крупа и капли дождя — по зонту. Такой и должна быть истинная теория электричества — наглядной, открывающей потайные пружины электрического воздействия. А нынешняя электродинамика лишь констатирует наличие электрического воздействия, не объясняя его сути, а ссылаясь на выдуманное электрическое поле с его весьма туманной природой. Подобное объяснение одного непонятного явления другим сомнительным и мистическим, конечно, нельзя считать научным. Максвеллова электродинамика напоминает мифические объяснения электричества и грозы древними греками, считавшими, что молнии метает громовержец Зевс — существо сверхъестественное и ещё более загадочное, непонятное, чем сами молнии. Но в античном мире были и учёные-материалисты — атомисты Демокрит и Лукреций, которые учили, что гроза — это природное явление, и связывали молнии с электричеством и стремительным движением мельчайших частиц, предвосхитив открытие электронов [77] (§ 4.17). Материалистическая наука должна сводить все явления к естественным, известным или интуитивно понятным. Именно это и сделала в отношении электричества теория Ритца.

Нынешнее же состояние электродинамики более всего напоминает состояние термодинамики и химии до создания молекулярно-кинетической теории. Тогда в термодинамике, химии все явления тоже объясняли посредством абстрактных субстанций, таких как теплород, флогистон, и различных алхимических высокоучёных терминов (чем не эфир или электромагнитное поле современной электродинамики?!). Лишь с появлением молекулярно-кинетической теории стало понятно, что тепло — это не какая-то абстрактная субстанция, а всего лишь случайное, хаотическое движение атомов и молекул; давление газа на поршень — это просто бесчисленные удары молекул о стенку; превращения веществ — это никакие не сказочные алхимические превращения, а механическое соединение и разъединение атомов в молекулах. Поэтому молекулярно-кинетическую теорию называют часто механической теорией теплоты. Так же и Ритц назвал свою электродинамику механической теорией электричества. Всякая физическая теория должна сводить явления к механическому движению и взаимодействию тел, частиц, должна быть атомистической. Ибо есть мистика, и есть атомистика. Там, где исчезают частицы, пропадает атомистика, — неизбежно возникают элементы мистики, сверхъестественного, не материалистичного, иррационального и трансцендентного, даже если всё это облекается в наукообразные математические формулировки (§ 5.14).

Именно атомистической была теория Ритца. Если молекулярно-кинетическая теория показала, что сила давления газа на поршень складывается из отдельных ударов молекул газа о стенку, то теория Ритца говорила, что и сила электрического отталкивания зарядов складывается в действительности из отдельных ударов частиц, испускаемых зарядами. Неудивительно поэтому, что и первый атомист Демокрит придерживался тех же взглядов на природу света, электромагнетизма, что и Ритц. Не зря и Дж. Томсон, открывший атом электричества (электрон) и предложивший первую структурную модель атома с электронами (§ 3.1), поддержал баллистическую теорию [6, 93]. Если термодинамика толковала тепло уже не как абстрактную субстанцию теплород, а как движение атомов и молекул, то и Ритц считал электрическое поле не состоянием пространства или абстрактного эфира (как в теории Максвелла), а всего лишь полем скоростей и концентраций движущихся частиц, испущенных зарядами и наполняющих всё окружающее пространство. В теории Ритца полевое взаимодействие описывается как пулевое: поле, то есть степень воздействия на единичный заряд-мишень, определяется в данной точке плотностью огня — потока частиц-пуль, выброшенных зарядами-пулемётами (Рис. 6). То есть поле задано дислокацией зарядов-пушек, этой полевой артиллерии, и выражается через количество частиц-пуль, приходящихся на единицу площади фронта в единицу времени.

Осталось понять, что же это за частицы — эти атомы, кванты электрического воздействия, испускаемые и поглощаемые зарядами? Многие из тех, кто занимался теорией Ритца, ошибочно считали их фотонами. При этом забывали, что фотоны несовместимы с БТР. К тому же фотоны, как следует из их названия, — это кванты света. Тогда как частицы Ритца — это кванты электрического воздействия, существующие даже в отсутствие источников света и совсем не обязательно создающие свет. Поскольку слово квант дискредитировало себя, то лучше будем называть эти частицы всё же не квантами, но атомами электрического воздействия. Ведь «атом» означает «неделимый», — это именно элементарная, неделимая единица материи, воздействия, заряда (так, электрон называют «атомом электричества»). Частицы Ритца — это, по всей видимости, наименьшие среди известных элементарных частиц, имеющие стандартную массу, много меньшую массы электрона. О других их свойствах говорить пока сложно. Эти частицы не имеют ни заряда, ни магнитного момента. В отношении их вообще нельзя говорить об этих характеристиках, поскольку именно эти частицы и создают электрическое и магнитное воздействие. Точно так же в термодинамике нельзя говорить о температуре и давлении одного атома, — это характеристики большого ансамбля атомов, более того, — это характеристики процессов движения частиц, а не самих частиц. Так же и электрический заряд, электрическое воздействие — это, в действительности, феномен, обусловленный движением огромного коллектива частиц.

Чтобы в дальнейшем не повторять из раза в раз «частицы, испускаемые зарядами», дадим для определённости этим элементарным частицам название, как принято в физике. К несчастью, сам Ритц из-за скоропостижной смерти не успел дать им имени. Поэтому, дабы почтить его память, будем называть эти атомы, кванты электрического воздействия реонами (от греч. rheos — «течение», «поток»), ввиду истекания их из заряженных тел и того, что Ритц называл свою концепцию теорией истечения, эмиссии [92, 93]. И обозначать реоны на чертежах будем латинской «R», напоминающей опять же об открывателе этих частиц — Вальтере Ритце. От древнегреческого «rheos» и древнеиндийского «rayas» (поток, бег) происходят и русские слова «реять» (струиться, лететь), «рея» (брус для паруса, улавливающего потоки ветра), «рой» (скопище летящих тел), английское «rain» (дождь). Поэтому очень удачно известное сравнение светонесущих частиц (реонов) с каплями дождя, реющими в пространстве и барабанящими по зонтику-заряду, словно рой дробинок, градин [40]. Если же ищем электрических аналогий, то стоит заметить, что от слова «rheos» происходит и название прибора реостата (переменного сопротивления току), а латинское название корабельной реи дало нам понятие антенны, излучающей и улавливающей потоки реонов в форме радиоволн (§ 1.11). Да и английское слово «ray» (луч, проблеск, излучение), видимо, исторически возникло ввиду представления всех излучений потоками частиц из источников. Не случайно Демокрит и Лукреций говорили об источении телами светоносных частиц, которые реют в пространстве (Часть 1, эпиграф). Там же сказано, что частицы эти должны иметь мизерные размеры, и потому легко проникать через любые преграды, несясь с огромными скоростями. А самое удивительное, что Демокрит и Лукреций именно ударами этих частиц объясняли электрические, магнитные воздействия и свет, удивительным образом догадавшись о единой природе этих явлений [77].

Кстати, как выяснилось, ещё в 1991 г. В.С. Околотин в статье «Корпускулярная концепция полевых взаимодействий», поддерживая и развивая эмиссионную электродинамику, тоже предлагал назвать частицы Ритца в честь их автора «ритцонами» (что созвучно «реонам»), подразумевая под ними элементарные частицы, образующие электрон и много меньшие его по величине. Так же и Ритц считал, что реоны обладают ничтожными (точечными) размерами, даже в сравнении с электроном. Поэтому их можно рассматривать как материальные точки, имеющие нулевые размеры. Благодаря этому реоны движутся в пространстве свободно, без столкновений и взаимодействий друг с другом: их потоки пересекаются и проходят одни сквозь другие без отклонения и рассеяния частиц, — столь ничтожна за счёт малых размеров вероятность столкновения реонов. Это значит, что если два заряда, источающие потоки реонов, действуют на третий, то в силу независимости этих потоков, совместное действие зарядов равно сумме воздействий зарядов, взятых в отдельности. Так теория Ритца объясняет принцип суперпозиции, — принцип наложения полей. В то же время, за счёт малых размеров чрезвычайно мала и вероятность столкновения реонов с частицами вещества. Поэтому, как отмечал Ритц, даже пройдя через достаточно толстые слои вещества, поток реонов ослабевает весьма незначительно. Реоны должны обладать огромной проникающей способностью и иметь гигантские длины пробега в веществе, прошивая его, словно пули навылет. То есть эффективное сечение столкновения с электронами тоже имеет весьма малую величину, возможно, много меньше квадрата классического радиуса электрона. Не случайно Ритц называл электрон «заряженной точкой» (что может отражать не только малые размеры электрона, но и его способность источать реоны: «точка», «ток», «источник» — это всё родственные слова). Огромные длины пробега связаны с тем, что реоны практически не взаимодействуют друг с другом и с веществом, что естественно, если учесть, что они сами выполняют функции переносчиков взаимодействий (§ 3.16).

Даже Демокрит и Лукреций считали естественным свободный пролёт сквозь вещество частиц-реонов световых, электрических и магнитных истечений, зная, что тела не сплошные, а образованы из атомов, между которыми пустота, составляющая основной объём вещества. Спустя тысячелетия наука признала атомы Демокрита, которые веками отвергали из-за их невидимости и малости. Атомы проявляли себя лишь косвенно, и Лукреций привёл ряд наблюдений, подтверждающих их реальность. А теперь учёные не хотят признать реонов, — светоносных частиц, тоже предсказанных Демокритом и имеющих ещё меньшие размеры. Но снова эти частицы косвенно выдают своё присутствие. Сам факт распространения света, электромагнитных воздействий в пустоте, с конечной скоростью, требует присутствия частиц, несущих импульс от заряда к заряду. Известен и эффект дрожания электронов от ударов реонов (ответственный за неопределённость положения и энергии электрона, § 4.13), аналогичный броуновскому движению частиц от ударов атомов. А ведь именно анализ броуновского движения стал решающим доказательством реальности атомов. Не случайно идею Демокрита и Лукреция о том, что электромагнитные силы вызваны давлением потока микрочастиц, источаемых электроном (заряженным янтарём) и магнитами, поддерживали и развивали такие видные атомисты, исследователи электромагнетизма, как У. Гильберт, П. Гассенди, Р. Бойль, И. Ньютон [78, 106].

Рис. 7. По Ритцу заряды подобны бенгальским огням и взаимодействуют посредством выбрасываемых электронами со скоростью света частиц.

Итак, подобно тому, как заряд салюта взрывается сверкающим шаром или бенгальский огонь сыпет снопами искр, так и электроны взрываются каскадами реонов, мечущихся меж двух огней. Этот поток искр, реонный ветер и порождает давление, кулоновское воздействие одного заряда на другой, как обычный ветер (поток атомов) давит на стенку (Рис. 7). Интересно, что уже в работах Б. Франклина, раскрывшего природу электричества и предсказавшего электроны, проскальзывает эта идея о потоках неких атмосфер из всепроникающих частиц, словно ветер, истекающих из зарядов и давящих на другие заряды. Так, созданный им первый электродвигатель (заряженное колесо Франклина, § 3.19) крутится по тому же реактивному принципу, что и огневая турбина Герона или фейерверочное огненное колесо, да и называл Франклин электричество не иначе как «электрический огонь», по примеру древних (§ 4.17). Словно чувствуя огневую, взрывную, баллистическую природу электрического заряда, его назвали зарядом и в русском, и в английском (charge) языках. Ведь, согласно Ритцу, электрический заряд подобен бомбе, заряду дроби, шрапнели, разлетающейся при взрыве сотней мелких осколков с огромной скоростью. Так же и электрический заряд выбрасывает во всех направлениях стремительные осколки-реоны, которые, будто град дробинок из ружья или пуль из автомата Калашникова, барабанят по мишени — по другим зарядам. Поразительно, но даже прибор для измерения заряда назвали баллистическим гальванометром, где для калибровки заряда вводится баллистическая постоянная. Об этом приборе подробно рассказано в наиболее популярном курсе электричества С. Калашникова [60] (параллель с фамилией изобретателя АК служит ещё одним примером стрелковых совпадений, § 5.16).

Не исключено, что и самому Ритцу баллистическую, стрелковую модель света и электрического взаимодействия навеяла легенда о метком стрелке из лука Вильгельме Телле. По легенде этому швейцарскому горцу и борцу за свободу родины пришлось, по приказу жестокого наместника Геслера, сбить стрелой из лука (или арбалета) яблоко с головы своего маленького сына, Вальтера Телля. Эта легенда, на которой воспитывались дети Швейцарии, возможно, и подсказала Вальтеру Ритцу сравнение арбалета и пущенной им стрелы, пронзающей и отбрасывающей яблоко, с зарядом-электроном, отталкивающим другой электрон посредством выстреленных и поглощённых ими снарядов-реонов. Вероятно, та же легенда вдохновляла молодого Ритца, этого сына Швейцарии и потомка свободолюбивых горцев, на отважную борьбу с неправдой в науке. Таких совпадений, на первый взгляд случайных, читатель встретит ещё немало. Им не стоит удивляться, поскольку всё в нашем мире взаимосвязано: люди и вещи получают имена не случайно, а по определённым законам. Уже из анализа слов и языка можно немало узнать о сущностном устройстве мира (§ 5.16). Итак, изложенная выше баллистическая модель, уподобляющая заряды огневым точкам, и составляет суть, основу Баллистической Теории Ритца.

Физическая природа электрического тока

Deprecated: Non-static method Date_TimeZone::getDefault() should not be called statically, assuming $this from incompatible context in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/pear/date/Date.php on line 201

Deprecated: Non-static method Date_TimeZone::isValidID() should not be called statically, assuming $this from incompatible context in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/pear/date/Date.php on line 576

Notice: Undefined offset: 1 in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/common/common/common.class.php on line 343

Deprecated: mysql_escape_string(): This function is deprecated; use mysql_real_escape_string() instead. in /home/carkey/hitech/hardtech/kernel/common/db/mysql.class.php on line 135

Физическая природа электрического тока
Теперь мы располагаем всем необходимым, чтобы ответить на вопрос: что такое электрический ток? Электрический ток представляет собою движение электрических зарядов. Точными опытами установлено, что всякий движущийся электрический заряд производит такое же магнитное действие, как и электрический ток. В различных проводниках ток создается движением различных заряженных частиц. Электрический ток в металлах. Атомы металлов обладают способностью легко отдавать один или несколько электронов. В любом куске металла нейтральных атомов почти нет, а имеются положительные ионы и оторвавшиеся от атомов электроны, которые называются свободными. Свободные электроны беспорядочно движутся в пространстве между ионами с различными, но весьма большими скоростями.

На короткое время они могут притягиваться каким-нибудь ионом, потом снова отрываются от него и т. д. При нагревании металла скорость беспорядочного движения свободных электронов увеличивается. Если металлический проводник присоединить к полюсам источника тока, то электрическое поле, которое существует между полюсами источника, проникнет в проводник; на все свободные электроны, имеющиеся в проводнике, будут действовать электрические силы: электроны будут отталкиваться от отрицательного полюса и притягиваться к положительному. Вследствие этого свободные электроны, продолжая свое беспорядочное движение, начнут медленно перемещаться все в одном направлении вдоль проводника. Такое перемещение называется упорядоченным.

Читателю на заметку: уже довольно давно на строительном рынке известен сайдинг, заменяющий с большим успехом вагонку, деревянные брусы, а порой и декоративную кирпичную кладку. Компания «риок-с» советует вам сайдинг виниловый по выгодным ценам — цветовые вариации этого строительного материала разнообразны, а сами цвета насыщены и стойки.

Наша продукция

…

Warning: Unknown: write failed: Disk quota exceeded (122) in Unknown on line 0

Warning: Unknown: Failed to write session data (files). Please verify that the current setting of session.save_path is correct (/opt/alt/php56/var/lib/php/session) in Unknown on line 0

§ 2. Электрическое поле. Напряженность поля, электрический потенциал и напряжение

Физическая природа электрического поля и его графическое изображение. В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела. Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электрическом поле положительно заряженная частица. Как показано на рис. 4, электрические силовые линии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом. Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряженными параллельными пластинами (рис. 4, г), называется однородным.

Электрическое поле можно сделать видимым, если поместить в него взвешенные в жидком масле частички гипса: они поворачиваются вдоль поля, располагаясь по его силовым линиям (рис. 5).

Напряженность поля. Электрическое поле действует на внесенный в него заряд ц (рис. 6) с некоторой силой Р. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд, принятый за единицу. В электротехнике интенсивность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е. Под напряженностью понимают отношение силы Р, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду ц этого тела:

Рис. 6. Схема действия электрического поля на внесенный в него электрический заряд ц

ностью Е изображается графически силовыми линиями большой густоты; поле с малой напряженностью — редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напряженность поля уменьшается (см. рис. 4, а, б и в). Только в однородном электрическом поле (см. рис. А, г) напряженность одинакова во всех его точках.

Электрический потенциал. Электрическое поле обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Как известно, энергию можно также накопить в пружине, для чего ее нужно сжать или растянуть. За счет этой энергии можно получить определенную работу. Если освободить один из концов пружины, то он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим концом тело. Точно так же энергия электрического поля может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу.

Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, введено специальное понятие — электрический потенциал. Электрический потенциал ср поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Понятие электрического потенциала аналогично понятию уровня для различных точек земной поверхности. Очевидно, что для подъема локомотива в точку Б (рис. 7) нужно затратить большую работу, чем для подъема его в точку А. Поэтому локомотив, поднятый на уровень #2, при спуске сможет совершить большую работу, чем локомотив, поднятый на уровень Н\. За нулевой уровень, от которого производится отсчет высоты, принимают обычно уровень моря.

Точно так же за нулевой потенциал условно принимают потенциал, который имеет поверхность земли.

Электрическое напряжение. Различные точки электрического поля обладают разными потенциалами. Обычно нас мало интересует абсолютная величина потенциалов отдельных точек электрического поля, но нам весьма важно знать разность потенциалов ф1—фг между двумя точками поля А и Б (рис. 8). Разность потенциалов ф1 и ф2 двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую-точку с меньшим потенциалом., которую нужно затратить на перемещение положительного заряда ц из одной точки поля в другую, к этому заряду, т. е.

Следовательно, напряжение (У, действующее между различными точками электрического поля, характеризует запасенную в этом поле энергию, которая может быть отдана путем перемещения между этими точками электрических зарядов.

Электрическое напряжение — важнейшая электрическая величина, позволяющая вычислять работу и мощность, развиваемую при перемещении зарядов в электрическом поле. Единицей электрического напряжения служит вольт (В). В технике напряжение иногда измеряют в тысячных долях вольта — милливольтах (мВ) и миллионных долях вольта — микровольтах (мкВ). Для измерения высоких напряжений пользуются более крупными единицами — киловольтами (кВ) — тысячами вольт.

Напряженность электрического поля при однородном поле представляет собой отношение электрического напряжения, дейст-12

вующего между двумя точками поля, к расстоянию / между этими точками:

Напряженность электрического поля измеряют в вольтах на метр (В/м). При напряженности поля в 1 В/м на заряд в 1 Кл действует сила, равная 1 ньютону (1 Н). В некоторых случаях применяют более крупные единицы измерения напряженности поля В/см (100 В/м) и В/мм (1000 В/м).

Природа электрического тока

В физике объяснение основных закономерностей электрического тока основывается на гипотезе свободных электронов. Недостатком теории электропроводности являлось то, что классическая теория не смогла объяснить главного – почему электроны в металлах ведут себя как свободные.

Для создания внутренне непротиворечивой теории электропроводности необходимо найти объяснение экспериментальным фактам: почему при разности потенциалов менее 10^-8эВ в проводнике появляется электрический ток, почему скорость теплового (неупорядоченного) движения свободных электронов при комнатной температуре — 10⁵м/сек. Хотя, согласно Савельеву (И.В.Савельев, Курс общей физики, стр. 272) даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного (полем) движения электронов равна 10³ м/сек. Дополнительная энергия, сообщаемая электронам при наложении поля, увеличивает их кинетическую энергию только на 10^-14%.

При наложении электрического поля увеличивается скорость электронов, двигающихся в направлении поля, и уменьшается в той же степени скорость электронов, двигающихся против поля. Количество электронов, двигающихся в направлении поля и против поля в среднем равны между собой. Если электроны находятся в металле в виде газа, то между ними будет происходить обмен кинетической энергией, и, соответственно, создание поля внутри проводника не должно даже в столь малой степени (точность расчетов сомнительна) влиять ни на скорость, ни на энергию электронов в проводнике.

Свойства проводника, по которому течет ток, резко отличаются от свойств этого же проводника при отсутствии в нём тока. Проводник, по которому течет ток электронов, имеет магнитное поле и разогревается по мере прохождения тока. Как же это объясняется в рамках предложенной нами теории металлической связи? В предлагаемой нами теории электропроводности показано, что связанные электроны в металлах легко (практически без энергетических затрат) перемещаются вдоль металлических связей. Их движение в направлении, создаваемом полем, обусловлено не действием поля, а их вытеснением из проводника с одного его конца электронами, поступающими в проводник с противоположного конца проводника.

Атом в металле может быть связан с другими атомами различными типами связи (одно и двухэлектронными ковалентными, ван-дер-ваальсовскими). В этом случае система состоящая, из ядер и связывающих электронов, имеет несколько близко лежащих энергетических минимумов (энергетических состояний), и возможные формы переходят друг в друга за счет перехода электронов. Если формы различаются по энергии, то равновесие между формами сдвигается в сторону формы с меньшей энергией.

Рассмотрим пример. В молекуле иода I₃ согласно теории химической связи наряду с равновесием

I^—… I – I →← I – I … I^—

могут существовать и равновесия между различными формами I₆ и I₉ и т. д.

I^—… I – I… I^—… I – I… I^—… I – I→← I – I … I^—…I – I … I^— …I – I … I^—

т.е. возможность образования за счет динамических связей полимерных молекул предполагает возможность быстрого перемещения электронов вдоль полимерной цепи.

Для начала рассмотрим, как изменится ситуация, если к I₃ (I^—… I – I) добавить электрон. Известно, что I₂имеет положительное сродство к электрону. При присоединении электрона к молекуле I₂ образуется I₂^— , имеющий структурную формулу I – I^— . Соответственно, при присоединении одного электрона могут образоваться I^—… I^˙ …I^— и I^—… I^— …I˙

Оба эти соединения должны легко присоединять электрон с образованием соответственно одного соединения I^— …I^— …I^—

Выделение энергии, обуславливающее легкость присоединения следующего электрона, в свою очередь, ожидается в связи с тем, что молекула иода (I₂) имеет положительное сродство к электрону, хотя в этом случае присоединение первого электрона протекает с разрывом ковалентной связи (т.е. с затратами энергии). Второй электрон присоединяется уже к радикалу I˙, что предполагает выделение энергии.

Все три атома иода в молекуле I^— …I^— …I^— имеют во внешней оболочке 8 электронов и, соответственно, согласно теории химической связи никаких других, в том числе и динамических, связей кроме Ван – дер- Ваальсовских между атомами иода образоваться не может.

Давайте рассмотрим, как измениться ситуация в системе, если цепочка состоящая из атомов иода будет подсоединена с одной стороны к катоду, несущему при включении в цепи электрического тока положительный заряд, а с другой стороны к аноду, несущему отрицательный заряд. После превращения крайней молекулы I^—… I – I в I^— …I^— …I^— за счет электронов, поступающих с анода, обратимая, первая слева электронная изомеризация прекращается (для пары электронов, переходящих в ходе изомеризации I^—… I – I →← I – I … I^—от крайнего, скажем, слева аниона к крайнему справа. Во всех оболочках трех анионов в молекуле I^— …I^— …I^— нет места, не только равного по энергии, которую эта пара электронов имела в молекуле I^—… I – I, но даже близкого к ней по значению. При этом скорость реакции перехода пары электронов с молекулы I^— …I^— …I^— на молекулу I – I … I^— с образованием молекулы I^—… I^˙ …I^— существенно не меняется, т.к. стадией лимитирующей скорость реакции в обоих случаях является стадия вытеснения пары связывающих электронов в молекуле I₂ свободной (не участвующей в образовании связей) парой электронов аниона иода.

Таким образом, создание напряжения между анодом и катодом, увеличение концентрации электронов на аноде выше равновесного и ее уменьшение на катоде ниже равновесного просто уменьшает скорость перемещения электронов справа налево в полимерной цепи, образованной за счет динамических связей. Снижение скорости перемещения электронов обусловлено уменьшением количества таких мест для электронов, при переходе в которые при изомеризации энергия системы могла бы уменьшиться. В свою очередь, уменьшение доступных мест для электронов обусловлено их заполнением за счет электронов, поступающих с анода. С другой стороны, уменьшение потока электронов, двигающихся вдоль поля, увеличивает по сравнению с обесточенным проводником движение в нем электронов другую сторону. Все стадии предложенного механизма образования электрического тока нашли подтверждение в химических и физических экспериментах. Основными положениями данной теории являются следующие:

электрический ток является потоком электронов, двигающихся в проводниках в одном направлении от анода (отрицательно заряженного электрода) к катоду, заряженному положительно. Носителями электрического тока в металлах являются электроны, что установлено в физических экспериментах Толмена и Стюарта в 1916 г.
В металлах каждый атом металла связан с восемью или двенадцатью другими атомами. Соответственно, электроны могут двигаться свободно по 8 или 12 направлениям вдоль связей со скорость близкой и даже большей, чем электроны в виде газа, т.е .ведут себя как «свободные» электроны. В неметаллах электроны не переходят со связи на связь, так как в неметаллах нет близко лежащих энергетических состояний.
электроны, связывающие атомы в молекулы, при наличии близко расположенных (0,5 — 2Å) минимумов энергии, с большой скоростью (> 10⁵м/сек) переходят из одного минимума в другой. Это доказывается химическими экспериментами, в ходе которых было открыто это явление и изучена кинетика его протекания.

Результатом обобщения экспериментов стало открытие явления обратимой электронной изомеризации, была изучена кинетика его протекания. Эти успехи позволили ответить на очередные вопросы, возникшие в ходе развития теоретической химии: физический смысл правил резонанса, как протекает химическая реакция и выяснить физический смысл металлической связи. Применительно к теории электрического тока в металле использование этого обобщения позволило ответить на ряд парадоксальных вопросов и предложить новое и, главное, непротиворечивое объяснение природы электрического тока. В предложенной нами теории нет никаких новых предположений. (Наличие внешних противоречий предполагает существование экспериментов или теорий, которые спорят с данной теорией).

Экспериментальные данные по обратимой электронной изомеризации были получены после создания элементарной классической теории электрического тока – теории Пауля Друде (Paul Karl Drude), возникшей сразу после открытия электрона Дж. Томсоном в 1897 году. Классическая теория электропроводности было «дите своего времени» (Truth is the Daughter of Time, not of Authority, F. Bacon (1561-1626 г.г.). Закреплению классической теории в науке способствовало то, что «классическая теория электропроводности смогла объяснить законы Ома и Джоуля – Ленца, а также дала качественное объяснение закона Видемана – Франца» (И.В. Савельев, Общий курс физики, т.2). Кроме того, признанию теории способствовало то, что эта теория легла в основу теории металлической связи и стала широко использоваться в химии для объяснения связи в металлах.

Природа электрического тока в металлах. Сверхпроводимость.

Природа электрического тока в металлах.
Металлы обладают электронной проводимостью. Экспериментальные доказательства: Опыт К. Рикке: пропускал ток в сотни ампер в течение длительного времени. Ожидал: в алюминии появится медь. Результат: отрицательный, т. е. ток не является направленным движением ионов.
Опыт Стюарта-Толмена: 1913 r. — Мандельштам — Папалекси предложили, 1916 г. — Стюарт — Толмен осуществили экспериментально. Длина l _{провода}=500 м (в катушке). Катушка вращалась с v =500 м/с: при резком торможении свободные частицы двигались по инерции. По отклонению стрелки гальванометра определяли удельный заряд, по направлению отклонения — знак заряда.
Электронная теория металлов (П. Друде, Г.А.Лоренц) Свободные электроны в металлах ведут себя как молекулы идеального газа. но v_эл>> v_тепл. Движение свободных электронов в металлах подчиняется законам Ньютона. Свободные электроны в процессе хаотичного движения сталкиваются преимущественно с ионами кристаллической решетки. Двигаясь до следующего столкновения с ионами, электроны ускоряются электрическим полем и приобретают кинетическую энергию Е_к. Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Но можно примерно объяснить закон Ома.
— зависимость удельного сопротивления металла от температуры, гдеa — температурный коэффициент сопротивления (табличная величина). Полностью правильно объяснить проводимость металлов позволяет только квантовая теория.
Сверхпроводимость.
Явление открыто Х.Камерлинг-Оннесом (Голландия) в 1911 г. на ртути и заключается в том, что при сверхнизких температурах сопротивление проводника может скачком падать до 0. Т.е. в таких проводниках не расходуется энергия на нагревание. В 1933 г. В.Мейснер открыл явление, состоящее в том, что внешнее магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника, если величина магнитного поля меньше критического значения (эффект Мейснера). В настоящее время открыты предсказанные В.Гинзбургом высокотемпературные сверхпроводники (температуры выше температуры жидкого азота).

Электрическое поле. электрический потенциал и напряжение

Физическая природа электрического поля и его графическое изображение. В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела.

Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электрическом поле положительно заряженная частица.

Как показано на рис. 4, электрические силовые линии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом. Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряженными параллельными пластинками (рис. 4, г), называется однородным.

Электрическое поле можно сделать видимым, если поместить в него взвешенные в жидком масле частички гипса; они поворачиваются вдоль поля, располагаясь по его силовым линиям (рис. 5).

Напряженность поля. Электрическое поле действует на внесенный в него заряд q (рис. 6) с некоторой силой F. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд, принятый за единицу. В электротехнике интенсивность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е. Под напряженностью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду q этого тела:

E=F/q

Напряженность поля измеряют в вольтах на метр (В/м). При пряжении поля в 1 В/м на заряд в 1 Кл действует сила, равная 1 ньютону 1 (Н). В некоторых случаях применяют более крупные единицы измерения напряженности: В/см (100 В/м) и В/мм (1000 В/м).

Поле с большой напряженностью Е изображается графически силовыми линиями большой густоты; поле с малой напряженностью — редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напряженность поля уменьшается (см. рис. 4, а, б и в). Только в однородном электрическом поле (см. рис. 4, г) напряженность одинакова во всех его точках.

Электрическое поле обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Как известно, энергию можно также накопить в пружине, для чего ее нужно сжать или растянуть. За счет этой энергии можно получить определенную работу. Если освободить один из концов пружины, то он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим концом тело. Точно так же энергия электрического поля может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу.

Электрический потенциал. Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, введено специальное понятие — электрический потенциал. Электрический потенциал φ поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Понятие электрического потенциала аналогично понятию уровня для различных точек земной поверхности. Очевидно, что для подъема локомотива в точку Б (рис. 7) нужно затратить большую работу, чем для подъема его в точку А. Поэтому локомотив, поднятый на уровень Н₂, при спуске сможет совершить большую работу, чем локомотив, поднятый на уровень Н₁. За нулевой уровень, от которого производится отсчет высоты, принимают обычно уровень моря. Точно так же

за нулевой потенциал условно принимают потенциал, который имеет поверхность земли.

Электрическая природа магнитного поля. / Сапожников Б.Г

Электрическая природа магнитного поля. / Сапожников Б.Г. УДК 537.1:530.12СПб отд-е Инст-та геоэкологии РАН, СПб, 2009с. 2 ил. Библиогр.: 14 назв. — Рус. 11. Деп. в ВИНИТИ РАН 31.08.2009 г. № 544-В2009

Рассмотрен ряд противоречивых положений современной электромагнитной теории, допускающей, в частности, мгновенное распространение электромагнитного поля. Приведен вывод магнитного поля постоянного тока из закона Кулона. Предложены модель магнитного взаимодействия электрических зарядов и объяснение природы стационарного магнитного поля свойствамиэлектрического поля, связанными с конечной скоростью его распространения. По силовому действию на движущийся электрический заряд ротор электрического поля эквивалентен магнитному полю. Установлено существование ранее неизвестной индукционной составляющей стационарного электрического поля, совпадающей по направлению с током в проводе. Квантово-механический эффект Эренберга-Сидая-Ааронова-Бома рассматривается как экспериментальное подтверждение реальности новой составляющей электрического поля. Упомянутому эффекту дано “электромагнитное” объяснение.

UDC 537.1:530.12 Electrical nature of magnetic field. / Sapozhnikov B.G.; St. Petersburg Division of Institute of Geoecology of RAS, SPb, 2009.20 p., 2 ill. Bibliography: 14 names. – Rus. 11 in VINITI RAS 31.08.2009. № 544-В2009

A number of inconsistent positions of the modern electromagnetic theory supposing, in particular, instant propagation of an electromagnetic field are considered. The conclusion of a magnetic field of a direct current from Coulomb law is produced. The model of magnetic interaction of electric charges and an explanation of the nature of a stationary magnetic field as properties of the electric field connected with the finite speed of its propagation are offered. The force action on a moving electric charge of the electrical field rotor is equivalent to a magnetic field. An existence before the unknown induction component of stationary electric field coinciding in a direction with a direct current in a wire is established. Ehrenberg-Siday-Aharonov-Bohm quantum-mechanical effect as the experimental verification of a reality of a new component of the electric field is considered. The electromagnetic explanation of the above mentioned effect is given.

Читать cтатью целиком

— Существует ли в природе электрическое поле в одномерном пространстве?

Электростатика менее чем в 3D — увлекательная тема. Однако следует помнить, что расширение пространств с размерностью, отличной от трех, не является уникальным.

С одной стороны, это наиболее очевидный выбор — введение меньшей размерности в результате работы со специальными трехмерными распределениями заряда, которые требуют задания менее трех координат. В этом первом случае более низкая размерность соответствует уменьшению степеней свободы, необходимых для описания пространственной конфигурации.Это случай однородно заряженных бесконечных параллельных линий и однородно заряженных параллельных плоскостей. В первом случае двух координат достаточно, чтобы указать положение одной из этих линий; в последнем достаточно указать положение плоскости. Следовательно, размерность пространственного конфигурационного пространства равна $ 2 $ и $ 1 $ соответственно. Все соотношения и физические размеры остаются такими же, как и в случае $ 3D $. В частности, имеет смысл говорить о точечных зарядах, взаимодействующих через обычный кулоновский потенциал.Законы взаимодействия между бесконечными параллельными заряженными линиями и плоскостями могут быть выведены из обычного закона Кулона в пределе плотности непрерывных линий и поверхностных зарядов. Конечно, теорема Гаусса по-прежнему требует трехмерного объема и трехмерной поверхности. Поэтому ваша формула $$ E (r) = \ frac {1} {2 \ pi \ epsilon_0} \ frac {Q} {r} $$ неверно, если $ Q $ представляет собой трехмерный точечный заряд. Его следует записать как $$ E (r) = \ frac {1} {2 \ pi \ epsilon_0} \ frac {\ lambda} {r}, $$ где $ \ lambda $ — линейная плотность заряда, так что ее одномерный интеграл дает результат с той же физической размерностью, что и трехмерный заряд.2} $. Следовательно, эквивалент закона Кулона принимает вид $$ \ begin {align} \ phi (r) & = — q_1 q_2 \ ln r ~~~~~~~~~ {\ mathrm {в ~~ 2D}} \\ \ phi (r) & = ~~ q_1 q_2 \ left | х \ право | ~~~~~~~~~ {\ mathrm {в ~~ 1D}} \ end {align} $$ В таком случае нет причин и невозможно поддерживать те же физические размеры для зарядов, что и в 3D. Однако это более последовательная, полностью одномерная или двухмерная теория.

Обратите внимание, что, хотя невозможно иметь реальные одномерные или двумерные электрические заряды, другие физические системы могут быть хорошо описаны с помощью такой низкоразмерной электростатики .Самый простой пример, который я могу придумать, — это взаимодействие между линейными вихрями с логарифмическим поведением.

Новое понимание фундаментальной физики

Н. В. Джоши

Термин, обозначающий массу или заряд частицы. Однако наиболее важный аспект, а именно происхождение αcloud, поправочный член

к электронному облаку, не рассматривается в КТП [2]. Стоит упомянуть, что точка зрения

, выраженная выше, указывает на то, что происхождение облаков лежит в колебательной энергии, очень близкой к электрону

, поглощаемому механизмом, упомянутым ранее [5].

Недавно несколько фундаментальных аспектов электромагнитных полей, таких как уравнения Максвелла [10], сила Лоренца

[11], электростатическое притяжение или отталкивание [4] и т. Д., Были пересмотрены на основе струн как компактных несжимаемых струн

. жидкость. Согласно теории струн, пространство заполнено небольшими вибрирующими узлами порядка

планковской длины (10-33 см). Несколько интересных аспектов электрического и магнитного полей объясняются с помощью

бран, которые представляют собой физическую сущность, которая обобщает точечную частицу на более высокие измерения.Брана D1 похожа на струну,

она колеблется и также имеет квантовые флуктуации. Некоторые свойства, связанные с элементарными частицами, были объяснены дополнительными измерениями бран. Согласно теории струн, D-брана играет решающую роль. Предполагается, что

несет электрическое или магнитное поле, а открытые струны соединяются с электромагнитным полем в

их конечных точках. Поля Максвелла связаны с присоединением открытой струны и D-браны (в дополнительном измерении

).Несмотря на то, что в этом направлении сообщалось о значительной работе, в настоящей работе использован совершенно другой подход. Стоит отметить, что в этом обсуждении только присутствие струн в va-

cuum учитывается как колеблющиеся единицы и никакие другие аспекты теории струн, такие как присутствие

бран любой размерности (D0 (точка ), D1 (линия), D2 (поверхность) и т. Д.). Квантовые гармонические осцилляторы

(или колебательные единицы) в космосе позволяют рассматривать преобразование энергии в кинетическую, потенциальную, а также в

формы хранения.Прямым следствием этого является то, что пространство становится возбудимой средой, через которую энергия

в той или иной форме может переноситься (не потоком, движением или потоком любого вида) с помощью нетрадиционного механизма, подобного распространению энергии. индуцированные «самовозбуждающиеся колебания» струн.

Другой важный аспект теории струн состоит в том, что частицы не точечны. Вместо них — колебательные

моды. Это означает, что элементарные частицы образуются из определенного расположения колеблющихся струн, и

, следовательно, все частицы имеют характер колебаний с определенной частотой.Вдобавок к этому электрон совершает вращательное движение (или спин). Рассматривая колебательные и вращательные движения электрона, некоторые свойства электромагнетизма

были когерентно объяснены ранее, просто принимая во внимание струны в компактной форме

сухой жидкости [3] — [5] [10] [11]. Однако она отличается от обычной жидкости, поскольку каждый ее элемент (вибрирующая струна

) имеет значительное количество энергии в форме хранения, которая может быть преобразована в кинетическую и потенциальную энергию.

Как упоминалось ранее, из-за механизма обратной связи, основанного на уравнении Ван дер Поля, энергия сохраняется за счет самоподдерживающихся колебаний. Это включает сохранение заряда и массы (как структурной

, так и электромагнитной) электрона, и детали подробно обсуждались ранее Джоши [3].

2. Самовозбужденные колебания и распространение

Фактически, как упоминалось ранее, электрон не излучает энергию или поле.Колебания, связанные с электронами

, вызывают возбуждение в колеблющихся струнах, которыми заполнено пространство. Процесс самовозбуждения [12] — [14] колебательной энергии продвигается в трехмерном пространстве и создает впечатление, что электрон или заряженная частица постоянно излучает в пространстве постоянную энергию или электрическое поле.

Самовозбуждающиеся системы сами начинают вибрировать в особых условиях [12]. Энергия, необходимая для этих колебаний, получается из однородного источника, связанного с самой системой (в данном случае

, колебательная энергия струн), и существует некоторый внутренний механизм, который подает энергию для запуска, а

поддерживает гармонику. колебания с определенной частотой.Если система по какой-либо причине нарушается, создаются силы

, которые могут увести систему от положения равновесия, и тогда она начнет колебаться, если условия будут подходящими. Когда причина автоколебаний прекращается, силы, связанные с ней, исчезают.

груша.

Из теории струн известно, что струны ведут себя как квантовые гармонические осцилляторы с квантовыми флуктуациями (энергия нулевой точки) [15] и образуют самовозбуждаемую систему.Процесс самовозбуждения может происходить

из нескольких механизмов, но наиболее очевидным в настоящей системе является процесс «прерывистого скольжения» согласно

, когда одна поверхность скользит по другой с сухим трением [13]. Этот процесс также известен как самовозбуждающаяся вибрация

, вызванная трением. Более раннее расследование показало, что это более вероятно, когда вибрирующие элементы очень малы

, как в данном случае. Благоприятные условия для этого типа возбуждения состоят в том, что поверхность должна находиться в плотном контакте в течение некоторого времени, а затем перемещаться с небольшой скоростью.Эти условия полностью выполняются в струнах

как компактная форма жидкости. Самовозбуждение также может происходить из-за вибраций, вызываемых потоком в ком-

Шок, наносимый бактериями, активирует электрическую сеть природы

(Иллюстрация Эллы Мару Studio)

Дно океана и земля под нашими ногами пронизаны крошечными нанопроволочками — 1/100 000 ширины человеческого волоса — созданными миллиардами бактерий, которые могут генерировать электрические токи из органических отходов. В новом исследовании, опубликованном авг.17 в журнале Nature Chemical Biology исследователи из Йельского университета описывают, как эту скрытую электросеть можно активировать коротким импульсом электрического поля.

«Мы живем в электрическом мире», — сказал Нихил Малванкар, доцент кафедры молекулярной биофизики и биохимии Института микробиологии в Западном кампусе Йельского университета и старший автор статьи. «Прочность и проводимость этих нанопроволок в сочетании со способностью бактерий к самовосстановлению могут помочь создать прочную, самовосстанавливающуюся электронику из живых клеток.”

В среде без кислорода бактерия Geobacter «дышит», проецируя крошечные белковые нити, называемые нанопроводами, в бактериальные сообщества, известные как биопленки, для удаления избыточных электронов, возникающих в результате преобразования органических отходов в электричество. Но остается загадкой, как эти бактерии, складывающиеся друг на друга, как квартирные многоэтажки, посылают электроны на расстояния, в 100 раз превышающие их.

В предыдущем исследовании команда показала, что нанопроволоки, состоящие из белка под названием OmcS, содержат крошечные металлические строительные блоки или гемы по всей своей длине.OmcS передает электроэнергию. Новое исследование показало, что при стимуляции электрическим полем бактерии производят ранее неизвестные нанопроволоки другого, более эффективного белка, OmcZ. Он передает электроэнергию в 1000 раз эффективнее, чем OmcS.

Сибель Эбру Ялчин, научный сотрудник Йельского института микробных наук, вела эту работу с аспирантами Дж. Патриком О’Брайеном, Янци Гу и Кристл Рейсс.

«Удивительно, но нанопроволоки могут выдерживать и функционировать в экстремально кислой среде, где разрушается большинство белков», — отметил Ялчин.«Это дает уникальную возможность разрабатывать новые датчики и очень эластичные материалы».

Другими авторами являются София Йи, Ручи Джайн, Вишок Срикант, Питер Даль, Уинстон Хьюн, Деннис Ву, Виктор Батиста с Атану Ачарья, Субхаджоти Чаудхури и Тамас Варга из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

Характер зарядов

Характер сборов

В естественном или нейтральном состоянии атом имеет равное количество электроны и протоны.Из-за этого баланса чистый отрицательный заряд электронов на орбите точно уравновешивается чистым положительным зарядом протонов в ядре, делая атом электрически нейтральным.

Атом становится положительным ионом всякий раз, когда он теряет электрон, и имеет общий положительный заряд. И наоборот, всякий раз, когда у атома появляется лишний электрон, он становится отрицательным ионом и имеет отрицательный заряд.

Из-за нормальной молекулярной активности в любой материал.Если количество положительных и отрицательных ионов равно, материал электрически нейтральны. Когда количество положительных ионов превышает количество отрицательных ионы, материал заряжен положительно. Материал заряжается отрицательно, когда отрицательных ионов больше, чем положительных.

Поскольку ионы на самом деле являются атомами без их нормального количества электронов, именно избыток или недостаток электронов в веществе определяет его обвинение.В большинстве твердых тел перенос зарядов происходит за счет движения электронов, а не за счет движения электронов. ионы. Перенос зарядов ионами станет более значительным, если мы рассмотрим электрическая активность в жидкостях и газах. В этот раз мы обсудим электрические поведение с точки зрения движения электронов.

Q14. Каков электрический заряд атома, содержащего 8 протонов и 11 электронов? Испытай себя

Заряженные тела

Один из фундаментальных законов электричества — КАК ЗАРЯДА ОТКАЗЫВАЙТЕСЬ ДРУГ ДРУГ И ВНУТРЕННИЕ ЗАПРОСЫ ПРИВЛЕКАЮТ ДРУГ ДРУГА.Положительный заряд и отрицательный заряды, будучи непохожими друг на друга, стремятся двигаться навстречу друг другу. В атоме отрицательные электроны тянутся к положительным протонам в ядре. Эта сила притяжения уравновешивается центробежная сила электрона, вызванная его вращением вокруг ядра. Как результат, электроны остаются на орбите и не втягиваются в ядро. Электроны отталкивают каждый другие из-за их одинаковых отрицательных зарядов, а протоны отталкиваются друг от друга из-за им нравятся положительные заряды.

Закон заряженных тел может быть продемонстрирован простым эксперимент. Два пробковых шарика (из бумажной массы) подвешены друг к другу на нитках, так как показано на рисунке 1-6.

Если натереть твердый резиновый стержень мехом, чтобы получить отрицательный заряд и затем прижимается к правому мячу в части (A), стержень издает отрицательный к мячу.Правый мяч будет иметь отрицательный заряд по отношению к мячу. левый мяч. При отпускании два шара будут вытянуты вместе, как показано на рисунке. 1-6 (А). Они касаются друг друга и остаются в контакте до тех пор, пока левый мяч не получит часть отрицательный заряд правого мяча, при этом они разлетятся, как показано на рисунке 1-6 (C). Если на оба шарика помещен положительный или отрицательный заряд (рис. 1-6 (B)), шары будут отталкиваться друг от друга.

Закон зарядов Кулона

Связь между притягиванием и отталкиванием заряженных тел была впервые обнаружен и описан французским ученым по имени Чарльз А.Кулон. Закон Кулона гласит, что ЗАРЯЖЕННЫЕ ТЕЛА ПРИТЯГИВАЮТ ИЛИ ОТКАЗЫВАЮТ ДРУГ ДРУГ С СИЛОЙ, КОТОРОЙ ЕСТЬ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ПРОДУКТУ ИХ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАРЯДОВ И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ПЛОЩАДИ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ НИМИ.

Величина притягивающей или отталкивающей силы, действующей между двумя электрически заряженные тела в свободном пространстве зависят от двух вещей — (1) их заряда и (2) расстояние между ними.

Электрические поля

Пространство между заряженными телами и вокруг них, в котором их влияние Войлок называется ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ СИЛЫ.Он может существовать в воздухе, стекле, бумаге или вакуум. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПОЛЯ и ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ — другие названия, используемые для обозначения этого область силы.

Силовые поля распространяются в пространстве, окружающем их точки происхождения и, в целом, УМЕНЬШАЮТСЯ В ПЛОЩАДИ РАССТОЯНИЯ ОТ ИХ ИСТОЧНИК.

Поле около заряженного тела обычно изображается линиями которые называются СИЛОВЫМИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИ ЛИНИЯМИ.Эти линии воображаемые и используется только для обозначения направления и силы поля. Во избежание путаницы силовые линии, создаваемые положительным зарядом, всегда показаны покидающими заряд, а для отрицательный заряд они показаны входящими. На рис. 1-7 показано использование линий для представляют собой поле о заряженных телах.

Рисунок 1-7 (A) представляет собой отталкивание одноименно заряженных тел и связанные с ними поля.Часть (B) представляет собой притяжение разно заряженных тел и связанные с ними поля.

Q15. Какая связь между заряженными телами? Проверьте себя
В16.Что такое электростатическое поле? Проверьте себя
В17. В каком направлении проводятся электростатические силовые линии? Испытай себя

Электромагнитное излучение

Электрические и магнитные волны

Свет — это электромагнитное излучение, электрическое поле, которое колеблется как во времени, так и в пространстве вместе с соответствующим ортогональным магнитным полем, которое колеблется с той же пространственной и временной периодичностью.Впервые это описал Максвелл.

Когда свет попадает в материал, он взаимодействует с заряженными частицами в атомах. Хотя и магнитное, и электрическое поле могут поглощаться материалами, взаимодействие поля света обычно примерно на 10 ⁵ сильнее, чем у магнитного поля, и, таким образом, в первом приближении мы можем интересоваться только взаимодействием электрического поля. поле с материей. Когда электрическое поле света попадает в материал и заставляет электроны двигаться.

Формально термин «свет» строго применим к видимой части электромагнитного спектра, однако мы будем использовать более свободное определение, которое включает весь видимый и невидимый спектр.

Свет ведет себя как волна со свойствами длины волны и частоты и как частица, поскольку он квантуется дискретными пакетами, известными как фотоны.

где:

— длина волны измеряется в нанометрах (нм)

— частота (1 / T Period T в секундах), измеренная в герцах

Световые волны

Световые волны можно описать как:

где;

= волновой вектор или волновое число в см ^-1

x — направление движения

— амплитуда

= угловая частота (в радианах / с)

— фазовая постоянная, которая учитывает ненулевую амплитуду в начале графика.

Частица природы света

Энергия светового луча сосредоточена в частицах, называемых фотонами.

— постоянная планка = 6,6 x 10 ^-34 Дж · S в единицах СИ

Что можно разделить на заряд электрона 1,6 x 10 ^-19 кулонов, чтобы получить микроскопический эквивалент

E = 4,14 x 10 ^-15 эВ · с

Скорость света в вакууме примерно 3 x 10 ⁸ м / с.

Множественные заряды — College Physics

Цели обучения

Рассчитайте общую силу (величину и направление), прилагаемую к испытательному заряду более чем одним зарядом
Опишите диаграмму электрического поля точечного положительного заряда; отрицательного точечного заряда с удвоенной величиной положительного заряда
Нарисуйте линии электрического поля между двумя точками одного заряда; между двумя точками противоположного заряда.

Рисунки с использованием линий для представления электрических полей вокруг заряженных объектов очень полезны для визуализации напряженности и направления поля. Поскольку электрическое поле имеет как величину, так и направление, оно является вектором. Как и все векторы, электрическое поле может быть представлено стрелкой, длина которой пропорциональна ее величине и которая указывает в правильном направлении. (Мы часто использовали стрелки для обозначения векторов силы, например.)

(рисунок) показывает два графических изображения одного и того же электрического поля, созданного положительным точечным зарядом.(Рисунок) (b) показывает стандартное представление с использованием непрерывных линий. (Рисунок) (а) показывает множество отдельных стрелок, каждая из которых представляет силу, действующую на испытательный заряд. Силовые линии — это, по сути, карта векторов бесконечно малых сил.

Два эквивалентных представления электрического поля, обусловленного положительным зарядом. (а) Стрелки, обозначающие величину и направление электрического поля. (b) В стандартном представлении стрелки заменены непрерывными силовыми линиями, имеющими то же направление в любой точке, что и электрическое поле.Близость линий напрямую связана с напряженностью электрического поля. Размещенный в любом месте тестовый заряд будет ощущать силу в направлении силовой линии; эта сила будет иметь силу, пропорциональную плотности линий (например, большую около заряда).

Обратите внимание, что электрическое поле определено для положительного испытательного заряда, так что силовые линии направлены от положительного заряда в сторону отрицательного заряда. (См. (Рисунок).) Напряженность электрического поля точно пропорциональна количеству силовых линий на единицу площади, поскольку величина электрического поля для точечного заряда равна, а площадь пропорциональна.Это графическое представление, в котором силовые линии представляют направление, а их близость (то есть их поверхностная плотность или количество линий, пересекающих единицу площади) представляет силу, используется для всех полей: электростатического, гравитационного, магнитного и других.

Электрическое поле, окружающее три разных точечных заряда. (а) Положительный заряд. (б) Отрицательный заряд такой же величины. (c) Больший отрицательный заряд.

Во многих ситуациях взимается несколько раз.Общее электрическое поле, создаваемое несколькими зарядами, представляет собой векторную сумму отдельных полей, создаваемых каждым зарядом. В следующем примере показано, как добавить векторы электрического поля.

Добавление электрических полей

Найдите величину и направление полного электрического поля, создаваемого двумя точечными зарядами, и в начале системы координат, как показано на (Рисунок).

Электрические поля и в начале координат O складываются.

Стратегия

Поскольку электрическое поле является вектором (имеющим величину и направление), мы добавляем электрические поля с помощью тех же векторных методов, которые используются для других типов векторов.Сначала мы должны найти электрическое поле, создаваемое каждым зарядом в интересующей точке, которая в данном случае является началом системы координат (O). Мы делаем вид, что есть положительный тестовый заряд в точке O, который позволяет нам определить направление полей и. Как только эти поля будут найдены, общее поле можно определить с помощью векторного сложения.

Решение

Напряженность электрического поля в начале координат обозначена и рассчитана:

Аналогично

Четыре цифры были сохранены в этом решении, чтобы проиллюстрировать, что это ровно вдвое больше.Теперь нарисованы стрелки для обозначения величин и направлений и. (См. (Рисунок).) Направление электрического поля — это направление силы, действующей на положительный заряд, поэтому обе стрелки указывают прямо от положительных зарядов, которые их создают. Стрелка для ровно в два раза длиннее, чем для. В этом случае стрелки образуют прямоугольный треугольник и могут быть добавлены с помощью теоремы Пифагора. Величина суммарного поля

Направление

или выше оси x .

Обсуждение

В случаях, когда добавляемые векторы электрического поля не перпендикулярны, можно использовать компоненты вектора или графические методы. Общее электрическое поле в этом примере — это полное электрическое поле только в одной точке пространства. Чтобы найти полное электрическое поле, создаваемое этими двумя зарядами для всей области, необходимо повторить тот же метод для каждой точки в этой области. Этой невероятно длительной задачи (существует бесконечное количество точек в пространстве) можно избежать, вычислив общее поле в репрезентативных точках и используя некоторые объединяющие функции, указанные ниже.

(рисунок) показывает, как можно нарисовать электрическое поле от двух точечных зарядов, найдя полное поле в представительных точках и проведя линии электрического поля, согласующиеся с этими точками. Хотя электрические поля от нескольких зарядов сложнее, чем от одиночных зарядов, легко заметить некоторые простые особенности.

Например, поле между одноименными зарядами слабее, как показано линиями, расположенными дальше друг от друга в этой области. (Это потому, что поля от каждого заряда оказывают противоположные силы на любой заряд, расположенный между ними.) (См. (Рисунок) и (Рисунок) (a).) Кроме того, на большом расстоянии от двух одинаковых зарядов поле становится идентичным полю от одного, большего заряда.

(Рисунок) (б) показывает электрическое поле двух разноименных зарядов. Поле между зарядами сильнее. В этой области поля от каждого заряда имеют одинаковое направление, поэтому их сила увеличивается. Поле двух разноименных зарядов слабо на больших расстояниях, потому что поля отдельных зарядов направлены в противоположные стороны, и поэтому их силы уменьшаются.На очень больших расстояниях поле двух разнородных зарядов выглядит как поле меньшего одиночного заряда.

Два положительных точечных заряда и создают результирующее электрическое поле. Поле рассчитывается в репрезентативных точках, а затем сглаживаются линии поля в соответствии с правилами, изложенными в тексте.

(a) Два отрицательных заряда создают показанные поля. Это очень похоже на поле, создаваемое двумя положительными зарядами, за исключением того, что их направления меняются местами. Между зарядами поле явно слабее.Отдельные силы на испытательном заряде в этой области противоположны. (b) Два противоположных заряда создают показанное поле, которое сильнее в области между зарядами.

Мы используем линии электрического поля, чтобы визуализировать и анализировать электрические поля (линии — это графический инструмент, а не физическая сущность сами по себе). Свойства силовых линий электрического поля для любого распределения заряда можно резюмировать следующим образом:

Линии поля должны начинаться с положительных зарядов и заканчиваться на отрицательных зарядах или на бесконечности в гипотетическом случае изолированных зарядов.
Количество силовых линий, оставляющих положительный заряд или входящих в отрицательный, пропорционально величине заряда.
Напряженность поля пропорциональна близости силовых линий, точнее, пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярных линиям.
Направление электрического поля касается силовой линии в любой точке пространства.
Линии поля никогда не пересекаются.

Последнее свойство означает, что поле уникально в любой точке.Линия поля представляет направление поля; поэтому, если они пересекутся, поле будет иметь два направления в этом месте (невозможно, если поле уникальное).

Исследования PhET: обвинения и поля

Перемещайте точечные заряды по игровому полю, а затем просматривайте электрическое поле, напряжения, эквипотенциальные линии и многое другое. Это красочно, динамично, бесплатно.

Сводка раздела

Рисунки линий электрического поля — полезные визуальные инструменты.Свойства силовых линий электрического поля для любого распределения заряда таковы:
Линии поля должны начинаться с положительных зарядов и заканчиваться на отрицательных зарядах или на бесконечности в гипотетическом случае изолированных зарядов.
Количество силовых линий, оставляющих положительный заряд или входящих в отрицательный, пропорционально величине заряда.
Напряженность поля пропорциональна близости силовых линий, точнее, пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярных линиям.
Направление электрического поля касается силовой линии в любой точке пространства.
Линии поля никогда не пересекаются.

Концептуальные вопросы

Сравните и сопоставьте кулоновское силовое поле и электрическое поле. Для этого составьте список из пяти свойств кулоновского силового поля, аналогичных пяти свойствам, перечисленным для силовых линий электрического поля. Сравните каждый элемент в вашем списке свойств кулоновского силового поля со свойствами электрического поля — они такие же или разные? (Например, силовые линии электрического поля не могут пересекаться.Верно ли то же самое и для силовых линий кулоновского поля?)

(рисунок) показывает электрическое поле, распространяющееся на три области, обозначенные I, II и III. Ответьте на следующие вопросы. (а) Существуют ли отдельные обвинения? Если да, то в каком регионе и каковы их признаки? б) Где поле наиболее сильное? (c) Где он самый слабый? (г) Где поле наиболее однородно?

Проблемные упражнения

(a) Изобразите силовые линии электрического поля около точечного заряда. (б) Сделайте то же самое для точечного заряда.

Нарисуйте линии электрического поля на большом расстоянии от распределений заряда, показанных на (Рисунок) (a) и (b).

(рисунок) показаны силовые линии электрического поля около двух зарядов и. Каково соотношение их величин? (б) Нарисуйте линии электрического поля на большом расстоянии от зарядов, показанных на рисунке.

Электрическое поле около двух зарядов.

Нарисуйте линии электрического поля вблизи двух противоположных зарядов, где отрицательный заряд в три раза больше по величине, чем положительный.(См. (Рисунок) для аналогичной ситуации).

Глоссарий

электрическое поле: трехмерная карта электрической силы, распространяющаяся в космос от точечного заряда

силовые линии электрического поля: серия линий, проведенных от точечного заряда, представляющих величину и направление силы, прилагаемой этим зарядом

вектор: величина, имеющая как величину, так и направление

векторное сложение: математическая комбинация двух или более векторов, включая их величины, направления и положения

Портал | Естественные статические поля

EMF-Portal | Естественные статические поля ×

Домой
Технологии
Статические поля (0 Гц)
Естественные статические поля

Электромагнитные поля присутствовали на Земле всегда.Естественные электромагнитные поля возникают в основном в виде теплового излучения (инфракрасного), видимого света или ультрафиолетового излучения солнца. Огонь и молния также являются источниками электромагнитных полей. Кроме того, у нас есть геомагнитное поле и электрическое поле между землей и верхними слоями атмосферы, что объясняется ниже.

Магнитное поле Земли, также известное как геомагнитное поле (ГМП), представляет собой квазистатическое магнитное поле, которое окружает нашу Землю от Южного полюса до Северного полюса (рисунок).Это вызвано в основном электрическими токами в жидкой части ядра Земли. На полюсах магнитное поле вдвое сильнее, чем на экваторе. Геомагнитное поле зависит от геологической глубины и широты; на поверхности Земли он колеблется в пределах 30-70 мкТл. Таким образом, геомагнитное поле — это самое сильное магнитное поле, которому мы постоянно подвергаемся. По отношению к земле силовые линии проходят горизонтально на экваторе и перпендикулярно на полюсах. В Центральной Европе силовые линии уходят в землю по диагонали.Угол между горизонтальной поверхностью земли и силовыми линиями называется наклоном.

Величину геомагнитного поля и угол наклона можно определить для любого места в Германии с помощью онлайн-инструмента в Немецком исследовательском центре геонаук
GFZ в Потсдаме.

Магнитное поле Земли

На Земле также присутствуют естественные электрические поля. Электрические поля возникают в основном между землей и верхними слоями атмосферы (ионосфера, с высоты 70 км).В основном они вызваны излучением солнца и солнечными ветрами. Величина статического электрического поля зависит от активности солнца, проводимости воздуха, времени года и погоды. Например, зимой напряженность поля составляет 270 В / м, что вдвое выше, чем летом (130 В / м). Напротив, во время грозы на плоской местности напряженность поля может достигать 20 000 В / м с пиками до 300 000 В / м (во время молнии). Огромная напряженность электрического поля вызвана нагретыми влажными воздушными массами в грозовых облаках.

§ 1.4 Природа электрического отталкивания и закон Кулона

Физическая природа электрического тока

Наша продукция

§ 2. Электрическое поле. Напряженность поля, электрический потенциал и напряжение

Природа электрического тока

Природа электрического тока в металлах. Сверхпроводимость.

Электрическое поле. электрический потенциал и напряжение

Электрическая природа магнитного поля. / Сапожников Б.Г

Электрическая природа магнитного поля. / Сапожников Б.Г

Последние новости

Осушенные в СССР торфяники сегодня стали настоящим бедствием

Ученые выявят источники повышенной эмиссии углерода в Сибири и Арктике

Мембрана с сосудообразными порами оказалась эффективным добытчиком урана из воды

Ученые датировали алтайские травертины

Ученые узнают, как изменение уровня воды влияет на экосистему Байкала

— Существует ли в природе электрическое поле в одномерном пространстве?

Новое понимание фундаментальной физики

Шок, наносимый бактериями, активирует электрическую сеть природы

Характер зарядов

Электромагнитное излучение

Электрические и магнитные волны

Световые волны

Частица природы света

Множественные заряды — College Physics

Цели обучения

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

Проблемные упражнения

Глоссарий

Портал | Естественные статические поля

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики